一种天然气场站用电解池制氢系统技术方案

本发明专利技术公开了一种天然气场站用电解池制氢系统，制氢系统与合成天然气制备系统可用于上、下游天然气场站，天然气压缩系统用于上游天然气场站，天然气压力能回收系统与太阳能储热系统用于下游天然气场站，以提高天然气场站的能源利用效率和经济效益；利用可再生能源与电网剩余电力电解水制氢，氢气与天然气混合后通过天然气管道运输，提高可再生能源的渗透率，降低氢气输运成本，同时减少天然气使用过程中的碳排放；当氢气产量大于天然气管道所允许的最大掺氢流量时，通过合成天然气制备系统，将多余氢气与二氧化碳进行反应，生成合成天然气并送入天然气管道，以保证天然气管道掺氢的安全性，同时减少大环境中的二氧化碳含量，促进实现碳达峰、碳中和的目标。碳中和的目标。碳中和的目标。

【技术实现步骤摘要】
一种天然气场站用电解池制氢系统


[0001]本专利技术属于天然气场站制氢
，具体涉及一种天然气场站用电解池制氢系统。

技术介绍

[0002]煤炭、石油等传统化石燃料的短缺和相关的环境污染问题引起了全球越来越多的关注，同时也推动了能源结构的转型。天然气因其低污染、热值高等优点而成为理想的清洁能源选择之一。
[0003]目前，天然气的开发利用正处于高速发展的阶段，由于天然气气源地与需求区域一般距离非常远，因此多采用高压管道运输，以加大运输量并降低其损耗。随着科学技术的进步与发展，天然气管网上游的输送压力逐渐增加，然而压缩天然气产生余热却无法得到充分的回收利用。另一方面，由于下游的终端用户一般使用中低压天然气，因此天然气门站、调压站等站场需要将高压管网输送过来的天然气进行减压处理。若在上游天然气场站充分回收压缩天然气产生的余热，或在下游天然气场站将天然气压力能充分回收利用，不仅能够减少能源消耗，具有节能环保效益，还可以产生可观的经济效益。
[0004]其次，安全、高效的氢气运输技术是氢能规模化应用的主要瓶颈之一，管道运氢运量大、成本低，但目前缺少基础设施。若将氢气与天然气掺混后通过天然气管道输送可大大降低氢气输运成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种天然气场站用电解池制氢系统，用于解决上游天然气场站压缩天然气产生的余热，以及下游天然气场站压力能无法充分回收利用的技术问题，同时降低氢气输运成本。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种天然气场站用电解池制氢系统，包括电解池，电解池的阴极出口分两路，一路经氢气回热器和氢气冷凝器的热侧连接至气液分离器的入口端，另一路经氢气加热器返回电解池阴极的混合气体流道入口；电解池的阳极出口经空气回热器及蒸发器的热侧与大气连通；空气压缩机出口经空气回热器冷侧、空气加热器连接至电解池的阳极入口；气液分离器的气体出口端分别连接第二混合器，以及合成天然气制备系统；对应下游天然气场站，合成天然气制备系统与天然气压力能回收系统和太阳能储热系统连接，对应上游天然气场站，合成天然气制备系统与天然气压缩系统连接。
[0008]具体的，对应下游天然气场站，气液分离器的液体出口端依次经水箱、泵、蒸发器冷侧、氢气回热器冷侧和蒸气加热器连接电解池阴极的水蒸气流道入口。
[0009]具体的，对应上游天然气场站，气液分离器的液体出口端依次经水箱、泵、蒸发器冷侧和第二三通阀后分两路，一路经甲烷合成器与第三三通阀的一端连接，另一路与第三三通阀的第二端连接，第三三通阀的第三端依次经余热回收器冷侧、氢气回热器冷侧和蒸
气加热器连接电解池阴极的水蒸气流道入口。
[0010]具体的，合成天然气制备系统包括氢气压缩机和二氧化碳压缩机，氢气压缩机的输入端经第一三通阀与气液分离器的气体出口端连接，氢气压缩机和二氧化碳压缩机的输出端经第一混合器和甲烷回热器冷侧连接甲烷合成器的反应物入口端，通过甲烷合成器连接第二混合器。
[0011]进一步的，对应下游天然气场站，甲烷合成器的反应物出口端依次经甲烷回热器热侧、甲烷冷凝器热侧、减压阀、干燥器和开关阀与第二混合器的合成天然气入口端连接；甲烷合成器的冷却物出口端依次经第四三通阀、热电发电机热侧和第五三通阀连接甲烷合成器的冷却物入口端。
[0012]进一步的，对应上游天然气场站，甲烷合成器的反应物出口端依次经甲烷回热器热侧、甲烷冷凝器热侧、合成天然气压缩机、干燥器和开关阀与第二混合器的合成天然气入口端连接。
[0013]具体的，对应下游天然气场站，天然气压力能回收系统包括天然气膨胀机，天然气膨胀机经热电发电机冷侧和第二三通阀分为两路，一路经制冷换热器和第三三通阀连接第二混合器的天然气入口端，另一路经甲烷冷凝器冷侧和第三三通阀连接第二混合器的天然气入口端。
[0014]具体的，对应下游天然气场站，太阳能储热系统包括太阳能集热器，太阳能集热器的出口端经高温储罐和第四三通阀连接至天然气压力能回收系统的热电发电机热侧，热电发电机热侧经第五三通阀和低温储罐连接至太阳能集热器的入口端。
[0015]具体的，对应上游天然气场站，天然气压缩系统包括燃驱压缩机机组空气压缩机和燃驱压缩机机组天然气压缩机，燃驱压缩机机组空气压缩机的出口端经燃驱压缩机机组燃烧室和燃驱压缩机机组透平与余热回收器的热侧入口端连接，燃驱压缩机机组天然气压缩机与第二混合器的天然气入口端连接。
[0016]具体的，电解池包括管式固体氧化物电解池和板式固体氧化物电解池；
[0017]管式固体氧化物电解池由内至外依次包括水蒸气流道、混合气体流道、阳极
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电解质
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阴极和空气流道，水蒸气流道上设置有气体分布孔，气体分布孔均匀分布在水蒸气流道的管壁上；
[0018]板式固体氧化物电解池从下至上依次包括水蒸气流道、混合气体流道、阳极
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电解质
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阴极和空气流道，水蒸气流道和混合气体流道之间设置有隔板，隔板上均匀分布有气体分布孔；
[0019]混合气体流道内设置有多孔介质材料，氢/水混合气体和水蒸气的流动方式为顺流，空气与氢/水混合气体的流动方式为顺流或逆流。
[0020]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0021]本专利技术一种天然气场站用电解池制氢系统，对应下游天然气场站，包括天然气压力能回收系统、制氢系统、合成天然气制备系统、及太阳能储热系统；对应上游天然气场站，包括天然气压缩系统、制氢系统、及合成天然气制备系统；制氢系统包括电解池，电解池的阴极出口分两路，一路经氢气回热器和氢气冷凝器的热侧连接至气液分离器的入口端，另一路经氢气加热器返回电解池阴极的混合气体流道入口；电解池的阳极出口经空气回热器及蒸发器的热侧与大气连通；空气压缩机出口经空气回热器冷侧、空气加热器连接至电解
池的阳极入口；气液分离器的气体出口端经第一三通阀分别连接第二混合器的氢气入口端、及合成天然气制备系统；对应下游天然气场站，合成天然气制备系统与天然气压力能回收系统和太阳能储热系统连接，对应上游天然气场站，合成天然气制备系统与天然气压缩系统连接，用于在氢气产量大于天然气管道所允许的最大掺氢流量时，将多余氢气与二氧化碳进行反应，生成合成天然气并送入天然气管道。根据上、下游天然气场站的特点，采用一套制氢系统，可分别应用于上游天然气场站的余热回收，及下游天然气场站的压力能回收，大大提高了天然气场站的能量利用率和经济效益，同时保证天然气场站掺氢的安全性，提高可再生能源渗透率，减少碳排放，避免了高成本的氢气管道建设，而且使用低碳清洁的混合气体燃料，可降低天然气使用造成的碳排放，是一种低成本且高效的氢气运输方式，有望成为氢能应用的关键引擎。
[0022]进一步的，对应下游天然气场站，气液分离器的液体出口端依次经水箱、泵、蒸发器冷侧、氢气回热器冷侧和蒸气加热器连接电解池阴极的水蒸气流道入口。液态水回本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天然气场站用电解池制氢系统，其特征在于，包括电解池(9)，电解池(9)的阴极出口分两路，一路经氢气回热器(4)和氢气冷凝器(11)的热侧连接至气液分离器(12)的入口端，另一路经氢气加热器(10)返回电解池(9)阴极的混合气体流道入口；电解池(9)的阳极出口经空气回热器(7)及蒸发器(3)的热侧与大气连通；空气压缩机(6)出口经空气回热器(7)冷侧、空气加热器(8)连接至电解池(9)的阳极入口，气液分离器(12)的气体出口端分别连接第二混合器(23)，以及合成天然气制备系统；对应下游天然气场站，合成天然气制备系统与天然气压力能回收系统和太阳能储热系统连接，对应上游天然气场站，合成天然气制备系统与天然气压缩系统连接。2.根据权利要求1所述的天然气场站用电解池制氢系统，其特征在于，对应下游天然气场站，气液分离器(12)的液体出口端依次经水箱(1)、泵(2)、蒸发器(3)冷侧、氢气回热器(4)冷侧和蒸气加热器(5)连接电解池(9)阴极的水蒸气流道入口。3.根据权利要求1所述的天然气场站用电解池制氢系统，其特征在于，对应上游天然气场站，气液分离器(12)的液体出口端依次经水箱(1)、泵(2)、蒸发器(3)冷侧和第二三通阀(26)后分两路，一路经甲烷合成器(18)与第三三通阀(28)的一端连接，另一路与第三三通阀(28)的第二端连接，第三三通阀(28)的第三端依次经余热回收器(38)冷侧、氢气回热器(4)冷侧和蒸气加热器(5)连接电解池(9)阴极的水蒸气流道入口。4.根据权利要求1所述的天然气场站用电解池制氢系统，其特征在于，合成天然气制备系统包括氢气压缩机(14)和二氧化碳压缩机(15)，氢气压缩机(14)的输入端经第一三通阀(13)与气液分离器(12)的气体出口端连接，氢气压缩机(14)和二氧化碳压缩机(15)的输出端经第一混合器(16)和甲烷回热器(17)冷侧连接甲烷合成器(18)的反应物入口端，通过甲烷合成器(18)连接第二混合器(23)。5.根据权利要求4所述的天然气场站用电解池制氢系统，其特征在于，对应下游天然气场站，甲烷合成器(18)的反应物出口端依次经甲烷回热器(17)热侧、甲烷冷凝器(19)热侧、减压阀(20)、干燥器(21)和开关阀(22)与第二混合器(23)的合成天然气入口端连接；甲烷合成器(18)的冷却物出口端依次经第四三通阀(32)、热电发电机(25)热侧和第五三通阀(33)连接甲烷合成器(18)的冷却物入口端。6.根据权利要求4所述的天然气场站用电解池制氢系统，其特征在于，对应上游天然气场站，甲烷合成器(18)的反应物出口端依次经甲烷回热器(17)热侧、甲烷冷凝器(19)热侧、合成天然气压缩机(39)、干燥器(21)和开关阀(22)与第二混合器(23)的合成天然气入口端连接。7.根据权利要求1所述的天然气场...

【专利技术属性】
技术研发人员：席光，姚尔人，仲理科，孙中国，王同生，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：